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量子色动力学(QCD)是描述强相互作用的非阿贝尔规范场论。代表相互作用强度的耦合常数与能量标度有关。伴随着能标趋于无穷,强相互作用的耦合常数 𝛼 𝑠 趋近于0,这就是强相互作用在高能区的渐近自由性质。该性质已被实验所证实。因为渐近自由性质,夸克与胶子在高能区的相互作用很弱,因此可以引入微扰的方法精确计算。在高能区(微扰能区),量子色动力学的预言与实验结果符合的非常好。因此量子色动力学被公认为是描述强相互作用的基本理论。 量子色动力学面临的主要问题在低能区(非微扰能区),特别是色禁闭问题。色禁闭,即可探测的参与强相互作用的最小物质结构为强子。由于微扰理论在低能区不适用,所以无法定量的理解色禁闭。如何从第一原理理解色禁闭成为粒子物理面临的巨大挑战。实验方面,强子谱学建立了实验观测与 QCD 在非微扰能区有效自由度的联系,对于发展唯象模型和研究非微扰 QCD 理论有重要意义。量子色动力学允许超出夸克模型的粒子存在,这类粒子被称为奇特强子态。强子谱学的主要问题之一就是寻找奇特强子态,奇特强子态的寻找和研究是定量检验 非微扰能区强相互作用理论和理解色禁闭的重要途径。胶球与混杂态是体现胶 子自由度的奇特强子态。𝐽/𝜓 辐射衰变是丰胶子过程,预期胶球与混杂态会大量产生,因此是实验上寻找胶球与混杂态的理想场所。
基于 BESIII 实验收集的 (10.09±0.04)×10^9 𝐽/𝜓 事例,我们对 𝐽/𝜓 → 𝛾𝜂𝜂′ 过程做了分波分析。我们首次观测到一个同位旋标量且 𝐽 ^{PC} 为奇特量子数 1 −+ 的粒 子,𝜂 1 (1855)。𝜂 1 (1855) 测得的质量为 (1855±9 −1 +6 ) MeV/𝑐 2 ,宽度为 (188±18 −8 +3 ) MeV, 其中第一项误差为统计误差,第二项误差为系统误差。质量与 LQCD 对 1 −+ 混杂态的计算结果一致。𝜂 1 (1855) 的统计显著性高于 19𝜎,测量得到的分支比为 𝐵(𝐽/𝜓 → 𝛾𝜂 1 (1855))𝐵(𝜂 1 (1855) → 𝜂𝜂 ′ ) =(2.70±0.41 −0.35 +0.16 )×10 −6 。𝜂 1 (1855) 是轻奇 特强子态研究的一个重要发现,同位旋标量的 1 −+ 粒子 𝜂 1 (1855) 与同位旋矢量的 1 −+ 粒子 𝜋 1 (1600) 一起为建立 1 −+ 混杂态九重态提供了重要信息。此外,基于 BESIII 实验收集的 (10.09±0.04)×10^9 𝐽/𝜓 事例,我们对 𝐽/𝜓 → γηηππ 过程做了分波分析,寻找 𝜂 1 (1855)新的衰变模式,以帮助我们进一步了解 𝜂 1 (1855)的性质。